去甲基化酶JARID1D 在前列腺癌侵襲和轉移中的研究進展

謝清華 張永斌* 師長宏*

(1.廣州中醫藥大學動物實驗中心,廣州 510405；2.空軍軍醫大學實驗動物中心,西安 710032)

前列腺癌(prostate cancer,PCa)是全球男性第二大惡性腫瘤,異質性是其最為主要的臨床特征,也是影響其治療效果的主要因素[1]。雖然雄激素剝奪可有效控制腫瘤生長,但大部分會形成去勢抵抗性前列腺癌(castrate-resistant prostate cancer,CRPC)[2]。若進一步使用雄激素受體(androgen receptor,AR)靶向抑制劑治療,在延長患者生存期的同時會誘導神經內分泌性前列腺癌(neuroendocrine prostate cancer,NEPC)和侵襲變異性前列腺癌(aggressive variant prostate cancer,AVPC),出現特征性轉移,導致臨床上的難以治愈[3]。因此,開展前列腺癌侵襲和轉移的相關機制研究,探索新的治療靶點,對前列腺癌的臨床治療具有重要意義。

近年來,針對前列腺癌新興治療靶點的研究開展了大量工作。不少研究者開始關注前列腺癌的性別特異性,亦即它的生物學性上的特征,并由此將探索思路進一步延續到了Y 染色體上的相關蛋白。根據已有文獻的報道,在Y 染色體上表達的雄性特異性蛋白可起到抑制腫瘤侵襲的作用[3]。其中,作用比較明確是組蛋白去甲基化酶JARIDID,它的表達變化極有可能促發前列腺癌發生包括骨轉移在內的一系列轉移表型。2016 年Li 等[4]通過細胞學實驗和動物實驗發現,去甲基化酶JARIDID 能通過抑制細胞侵襲相關基因的表達程序,從而達到抑制前列腺腫瘤侵襲與轉移的效果?；诖?本文將從去甲基化酶JARID1D 的結構基礎、酶屬種類以及調控機制等方面探討其在抑制前列腺癌侵襲與轉移中的研究進展。

1 去甲基化酶JARID1D 的簡介

1.1 JARID1D 的本質與屬性

去甲基化酶JARID1D 最初被報道為Y 染色體上的一種組織相容性抗原,是被研究得最少的一種異構體。近年來,隨著實驗研究的不斷深入,JARID1D 的結構和功能不斷被解析。它是組蛋白H3 賴氨酸4(H3K4)結構上的一種去甲基化酶,其同類尚有Paralogs UTY、KDM6C 等其它的去甲基化酶。值得一提的是,JARID1D 是一種男性特異性蛋白,學界又常稱之為kdm5d 或者smcy。該表觀遺傳調節劑可通過去甲基化H3K27me3 和H3K4me3 來調節染色質的酶活性,從而對基因表達產生深遠的影響[5-7]。據Isensee 等[8]在2008年的研究發現,JARID1D 作為一種性別特異性基因,在雄性小鼠的心臟和心肌中均有特異性表達,其能降低心血管疾病的發病率。2016 年,Li 等[4]提出,JARID1D 能通過抑制與細胞侵襲相關基因的表達,從而達到抑制前列腺癌細胞侵襲與轉移的作用,因此,JARID1D 與前列腺癌的關系不斷被深入研究。

關于癌細胞侵襲與轉移之間的發展關系,腫瘤學研究普遍認為,增強癌細胞的侵襲能力對于其轉移能力的強化是必不可少的,而無論是癌細胞的侵襲還是轉移,均是在表觀遺傳的調控下進行的[5-7]。因此,主導表觀調控的基因,其所表達的組蛋白甲基化修飾物與腫瘤的侵襲和轉移有著或正或負的相關性[8]。

截至目前,已有多個明確的研究結果支持上述觀點。例如,Harmeyer 等[9]于2017 年發現H3K27甲基轉移酶EZH2 可以通過抑制抑癌蛋白的表達而誘導前列腺腫瘤的發生和轉移；又如,該團隊在胃癌的研究之中發現,JARID1D 在癌細胞中的過度表達可以明顯降低癌細胞的活力,表明它具有直接的抑制腫瘤生長的作用[9]。除了上述促進轉移的組蛋白修飾物的過度表達之外,抑制轉移的組蛋白甲基化修飾劑的丟失還可能促進癌細胞的轉移。正如Komura 等[10]在2016 年的研究中提出,JARID1D在許多轉移性前列腺癌中存在表達下調甚至缺失的情況。

因此,系統性歸納和總結JARID1D 在前列腺癌中的已知功能,并探索該去甲基化酶在染色質調控靶向性方面的作用,將為前列腺癌的臨床治療提供更多的潛在靶點。

1.2 JARID1D 的結構基礎與抑瘤功能

表觀遺傳是指由非DNA 序列改變引起的、可遺傳的基因表達水平的改變,包括DNA 甲基化、組蛋白修飾、RNA 調控和染色質重塑等。組蛋白乙酰化、磷酸化、泛素化、甲基化、sumo 化及ADP 核糖糖基化等組蛋白修飾發生在多種、特異的位點上,且相互之間,調控影響,進而產生多種組合,構成了復雜的調控網絡,該過程被稱之為“組蛋白密碼”。長期以來,由于未發現組蛋白去甲基化酶,因此,組蛋白甲基化被認為是不可逆的、穩定的表觀遺傳標志[11]。直到2006 年,Chen 等[12]發現了第一個組蛋白去甲基化酶LSD1(lysine specific demethylase1),繼而組蛋白去甲基化酶被大量發現,并據此論證了組蛋白去甲基化是一個可逆的過程,使得表觀遺傳學的研究更為寬廣和深入。相關文獻證實,組蛋白去甲基化酶的作用位點在組蛋白賴氨酸或精氨酸殘基上。截止到目前,已發現兩類組蛋白賴氨酸去甲基化酶,包括LSD1 和含有JmjC 結構域的組蛋白賴氨酸去甲基化酶[5-7]。

JARID1D 就是這樣一種含有JmjC 結構域的組蛋白賴氨酸去甲基化酶。它作為JARID 1 家族的重要成員之一,與該家族的其它3 個成員一樣,也包含多個保守結構域,這些結構域定義了它們的活性和底物特異性。其中,JmjC 結構域是它的催化核心,該結構域由包括組蛋白脫乙基酶在內的多種蛋白質構成,并可調控多種基因的轉錄,進而影響到細胞的周期進程,參與癌癥的發生發展[13]。

去甲基化酶不僅能調節正常細胞的命運,而且具有致癌和抑癌的雙重功能[14]。但在前列腺癌的研究之中,討論得最多的是去甲基化酶JARID1D 在調節腫瘤惡性轉化的譜系可塑性方面的能力,亦即其抑瘤的功能[15]。Komura 等[10]在體外和體內實驗中均發現JARID1D 能特異性抑制前列腺癌侵襲相關基因,如MMP1、MMP2、MMP3、MMP7 等,并通過H3K4 這樣一種基因激活物,在啟動子處進行去甲基化從而發揮抑瘤功能。

近年來,人們對JARID1D 蛋白抑瘤功能的認識越來越深入,越來越細化,更進一步認識到這些功能的發揮是建立在其結構基礎之上的。由于JARID1D 蛋白在抑制腫瘤侵襲性方面具有重要作用,研究者開始關注JARID1D 抑制劑的開發,例如臨床上所常用的一種抑制劑——組蛋白去乙酰化酶抑制劑(HDACs),它對某些惡性腫瘤具有部分療效,其治療靶點便與JARID1D 所在的JARID1 家族密切相關。有證據表明,JARID 1 蛋白可以直接與HDACs 相互作用,以介導其抑制作用。這些作用為評估包括HDACs 在內的抑制劑的療效提供了理論基礎。目前,基于HDACs 已經建立起了一系列的臨床用藥[16-17]。

2 去甲基化酶JARID1D 的酶屬種類

2.1 JARID1D 的上游酶——H3K4 系列酶

去甲基化酶的功能發揮主要依賴于其結構基礎,結構基礎決定了它對不同底物結合的親和性。保持酶活性的空間結構是維持其酶活性功能所必備的環節。一種酶只作用于一類化合物或一定的化學鍵,以促進一定的化學變化,并生成一定的化學產物,這種現象稱之為酶的特異性或專一性。而酶的這種特異性,很大程度上取決于與其從屬酶之間的調控關系。去甲基化酶JARID1D 的上游酶稱之為單體化組蛋白H3 賴氨酸4(H3K4me1)[18-20],該組蛋白是一種活性基因,它可以作為基因激活標記,在啟動子處參與多種轉錄復合物的抑制,通過影響轉錄的起始,最終導致某些復合物的轉錄抑制。

2.2 JARID1D 的核心阻遏子——ZMYND 8

H3K4 作為一種組蛋白系列酶,其單體結構的種類較多[21]。其中,與JARID1D 相關的兩個單體結構分別是H3K14ac 和H3K4me1。此二者均為單體化的組蛋白,亦為一種活性基因,具備基因激活功能。然而,以之為結構基礎的合體——雙組蛋白修飾標記H3K4me1-H3K14ac,功能則與之相反[22]。研究發現,H3K4me1-H3K14ac 能被ZMYND 8(又稱RACK 7)所識別和捕捉,并抑制基因的功能表達[23]。

而在該過程中,ZMYND 8 發揮了核心阻遏子的作用,能拮抗轉移相關基因的表達。例如,Harmeyer等[9]在2017 年即證實,敲除該基因會增強腫瘤細胞的體外和體內侵襲能力,從而反向證明了ZMYND 8的抑制侵襲與轉移的能力。

作為JARID1D 在H3K4 去甲基化酶上的轉錄核心阻遏子,ZMYND8 的這種拮抗能力亦延續到了JARID1D 上面,因此,JARID1D 也具備了類似的抑瘤功能。同時,Harmeyer 等[9]也發現,ZMYND 8 發揮抑制侵襲和轉移功能的結構基礎,便是ZMYND 8中的同源結構域(PHD)和溴域盒,此二者介導了ZMYND 8 對H3K4me1-H3K14ac 的組合識別。這些發現揭示了H3K4me1-H3K14ac 在抑制轉移的基因表達中所起的重要作用,并通過這種潛在的聯系,深層次揭示了JARID1D 在與腫瘤轉移相關的基因下調中,所延續的一種表觀遺傳機制[24-26]。

3 JARID1D 在前列腺癌中的生物學性及其抑制侵襲的功能

3.1 JARID1D 在前列腺癌生物學性中的體現

生物學性即為男女性別相關因素的差異,其對生物體的生長發育和生理活動有著深遠的影響,尤其是在細胞信號、新陳代謝和免疫反應等方面。它們產生于激素暴露中特定性別的差異,以及與XX染色體補體和XY 染色體補體相關的內在遺傳和表觀遺傳差異。近年來,生物學性被認為是多種癌癥的發病率、臨床表現和療效預后的決定性因素,包括與男女性別相關的癌癥如前列腺癌、乳腺癌、卵巢癌等等[27-29]。例如,據Jangravi 等[30]在2015 年的研究指出,男性特異性Y 染色體的全部或部分缺失與前列腺癌的發生密切,而JARID1D 正是Y 染色體上發揮抑制前列腺腫瘤侵襲作用的男性特異性基因。這一發現可以被認為是生物學性在前列腺癌病程發展之中的一個具體體現,也側面論證了JARID1D 這樣一種雄性特異性蛋白在前列腺癌發展過程中的重要性與獨特性。

3.2 JARID1D 抑制前列腺癌的侵襲

2015 年Jangravi 等[30]的研究發現,Y 染色體上特有的去甲基化酶JARID1D 具有抑制前列腺癌侵襲和轉移的作用。其中一個關鍵性證據就是,在高達52%的前列腺癌患者中,Y 染色體存在完全和部分缺失,而位于Y 染色體上的去甲基化酶JARID1D的敲低,可以提高上皮-間質轉化(EMT)的關鍵調節分子如N-Cadherin 和Slug 的表達,從而達到抑制前列腺癌侵襲的作用。公共數據庫分析亦表明,該基因的缺失通常發生在轉移性前列腺癌而非原發性前列腺癌。在轉移性前列腺癌中,JARID1D 的表達通常極低甚至缺失,且它的表達高低與前列腺癌患者的預后良莠密切相關,亦為確鑿之佐證。

上述發現表明,編碼于Y 染色體上的表觀遺傳修飾物JARID1D,具有抑制前列腺癌進展的抗侵襲作用,這些證據也強調了使用JARID1D 作為晚期前列腺癌預后指標的可行性和可信度。

4 JARID1D 在前列腺癌臨床預后和異種移植中的情況

4.1 JARID1D 作為前列腺癌的預后指標

分析臨床宏觀數據發現,與正常前列腺組織和原發性前列腺癌相比,在轉移性前列腺癌中,JARID1D 的表達水平明顯偏低,而低水平的JARID1D 與前列腺癌患者的預后不良密切相關。因此,臨床上常常使用JARID1D 作為晚期前列腺癌預后療效的一項觀察指標。

正如Li 等[4]在2016 的研究發現,為了確定JARID1D 水平是否與前列腺癌患者的臨床表現有關,作者對39 例前列腺癌患者進行了Kaplan-Meier生存分析,并對其進行了免疫組化評估。結果表明,低水平的JARID1D 與前列腺癌患者的整體生存狀況密切相關。為了確定JARID1D 在原發性和轉移性前列腺腫瘤中的表達差異,研究者采用免疫組化的方法比較了JARID1D 在正常前列腺癌組織、原發性前列腺腫瘤和轉移性前列腺腫瘤中的表達水平。結果發現,與正常組織(10%,2/21)相比,轉移性前列腺腫瘤中JARID1D 的蛋白水平顯著降低(100%,6/6),原發性前列腺腫瘤中JARID1D 蛋白水平亦明顯降低(41%,28/68)。此外,低水平JARID1D mRNA 組的前列腺癌患者總體生存率較差[30-32]。上述結果均提示,使用JARID1D 作為前列腺癌新的預后指標是切實可行的。

4.2 JARID1D 在前列腺癌異種移植模型中的表達

去甲基化酶JARID1D 在前列腺癌的異種移植模型中有著極為明確的表達方式——調控腫瘤的發生與轉移。2015 年,Jangravi 等[30]用shJARID1D和對照組shRNA 處理前列腺癌細胞系DU145-Luc2,將處理后的細胞注入小鼠的尾靜脈。結果發現,在這種異種移植模型中,癌細胞通過血液系統侵入遠端器官,并在轉移部位(主要是肺)以腫瘤的形式生長。實驗結果顯示,該種癌細胞注射之后,shJARID1D 組小鼠(n=15)的熒光素酶信號顯著高于對照組(n=9)。隨后,作者分別使用HE 染色和免疫組化染色的方法,進一步證實了shJARID1D 組小鼠腫瘤的形成,無論是腫瘤的大小還是轉移的范圍均顯著高于對照組,提示JARID1D 具備抑制前列腺癌細胞系DU145 侵襲的能力。

5 展望

去甲基化酶JARID1D 是抑制前列腺癌侵襲和轉移的重要驅動基因,其表達水平的高低多少、缺失與否,均與前列腺癌的病情發展密切相關。前列腺癌的發病率、臨床表現以及預后等因JARID1D 的表達水平而存在較大差異[33-35]。這些發現揭示了JARID1D 與轉移相關基因之間的一種表觀遺傳機制,該去甲基化酶JARID1D 的發現,對研究前列腺癌如何利用染色質調節酶機制發揮調控疾病進展等方面提供了新的思路,為前列腺癌的臨床治療,提供了潛在的治療靶點[36-38]。

但是,臨床研究和實驗研究均已證實,前列腺癌的發生發展主要受AR 信號的調控[6]。然則,JARID1D 是否也受AR 信號的調控? 前列腺癌臨床常發的骨轉移是否亦受JARID1D 的調控,其具體促發骨轉移的機制又是什么[39-41]? JARID1D 的表達與前列腺癌的激素依賴以及與AVPC/NEPC 的轉化之間又有何具體關系[42-43]? 上述問題的解答清楚,則尚需要一系列的轉化模型,進行驗證。